CN100563084C - 磁力传动液态金属磁流体波浪能直接发电单元装置 - Google Patents

磁力传动液态金属磁流体波浪能直接发电单元装置 Download PDF

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Abstract

一种磁力传动液态金属磁流体波浪能直接发电单元装置，由压力板(1)，磁联活塞(2)，U型密封管道(3)，液态金属(4)，横截面为矩形或方形的磁流体发电左通道(5-1)，磁流体发电右通道(5-2)，两对平板形电极(7-1)、(7-1’)和(7-2)、(7-2’)和两极磁体(6)组成，垂直布置在近海面的海水中；与浮子相连的压力板(1)带动磁联活塞(2)做垂直往复运动，并通过磁力耦合作用带动U型密封管道(3)中液态金属(4)流动，从而将外部波浪的能量转化为液态金属(4)的动能，实现了液态金属(4)的零泄漏，减小了液态金属(4)的流动阻力，提高了能量转换效率和发电系统的稳定性。

Description

磁力传动液态金属磁流体波浪能直接发电单元装置
技术领域
本发明涉及一种液态金属磁流体波浪能直接发电装置，特别是采用非接触式磁联活塞传递海洋波浪能的液态金属磁流体波浪能直接发电单元装置。
技术背景
海洋波浪能是一种清洁可再生能源，具有低速度、大作用力的运动特性。同风能、太阳能等可再生能源相比，波浪能的开发利用，在工程上还有很大的困难和挑战性。迄今为止，已经开发出多种利用波浪能发电的方法，如采用高速旋转发电机的振荡水柱式、堤岸式，采用永磁直线发电机的阿基米德波浪摆以及采用磁流体(MHD)发电机的磁流体波浪能发电装置。
基于磁流体动力学的磁流体波浪能发电方式随着磁流体发电技术的发展而发展。早在1979年，美国专利4151423公开了一种磁流体波浪能发电装置。该装置由一个水平放置的MHD通道和磁体组成，海水在波浪泵的作用下，水平流过MHD通道，切割磁力线，产生电流。
1991年，美国专利5136173公开了一种磁流体波浪能直接发电系统。该系统包括一个垂直悬吊在深水中的MHD发电机，其上端与一个浮在海面的浮子相联。MHD发电机中的MHD通道随着浮子的上下波动、相对深处稳定的海水作上下往复运动。在MHD通道的水平方向布置有由电磁体或是其它方法(如超导等)产生的强磁场，且在通道内部放置一对电极。在与磁场的相互作用下，流动的海水产生感生电动势；通过电缆连接负载，输出电能。由于MHD发电通道中流体的流速相对较低(与高速旋转发电机相比)，可以直接与低速、大作用力的波浪能相耦合，因而，该发电装置中没有传统的旋转部件，提高了系统的转换效率。然而，该系统采用电导率低(4～5莫/米)的海水作为发电工质，发电效率低，难以实用。
2005年，美国专利2005/0146140A1公开了一种液态金属磁流体(LMMHD)波浪能直接发电单元装置，采用高电导率(约为海水106倍)的液态金属作为发电工质，进而提高了发电装置的发电效率和实用性。该发电单元装置采用单发电通道，虽然采用收缩的磁体结构以减小电磁场的端部效应以及能量损失，却不可避免地产生感生磁场，进而导致系统的能量损失和不稳定。
2006年，中国专利1987089公开了一种单管双通道液态金属磁流体波浪能直接发电单元装置。该装置由U型管道、磁流体电极、2个弹性容器、充满在U型管道和2个弹性容器内的液态金属以及磁体和1个刚性容器组成，采用双发电通道结构，消除了端部感生磁场及其所带来的能量损失和不稳定性。同美国专利2005/0146140A1一样，该发电装置采用弹性波纹管作为压力转换和密封存贮装置，将波浪外力传递给液态金属，使其在密封的通道中流动。一方面，弹性波纹管具有弹簧的特性，很容易发生共振，使液态金属在某一点来回上下震荡，难以产生感生电动势。另一方面，波纹管长期处于伸缩的往复运动，很容易断裂，破坏流动通道的密封，发生液态金属的泄露，污染海洋环境；同时带来维护、可靠性等一系列的问题。此外，液态金属同波纹管直接接触，增大了流动阻力，降低了能量转换效率。
发明内容
为克服现有技术中国专利1987089的缺点，本发明提出一种非接触式磁力传动的液态金属磁流体(LMMHD)波浪能直接发电单元装置。该装置采用磁联活塞实现波浪外力到液态金属动能的转化。
本发明的目的通过以下技术方案实现。
本发明的磁力传动LMMHD波浪能直接发电单元装置由两端部为真空的U型密封管道、磁联活塞、与浮子相连的压力板、磁流体发电双通道、在U型密封管道内流动的液态金属以及两极磁体和电极组成，垂直布置在近海面的海水中。磁流体发电机部分与中国专利1987089一样，由磁流体发电双通道、磁体和电极组成。U型密封管道是由不导磁不导电材料制成的一密封管道空间，两端部为真空；由左、右直线段、左、右渐缩段、磁流体发电双通道和环形段组成，受到外力作用的液态金属在其中流动。左、右直线段相互平行，横截面为圆形，上部是真空，并通过横截面渐缩的左、右渐缩段与磁流体发电双通道相连，其左或右直线段上安装磁联活塞；磁流体发电双通道的下面是环形段。圆环形磁联活塞同轴布置在U型密封管道的左或右直线段，由同轴的磁性活塞和磁性传动环组成，具有轴对称性；磁性活塞由不导磁、不导电的活塞芯体、极性相间的永磁磁环和密封环组成，永磁磁环的充磁方向为径向，沿轴向均匀镶嵌在活塞芯体的外表面；磁性传动环由非导磁的外支架、与磁性活塞外表面上的永磁磁环一一对应的永磁磁环和非导磁的定位环组成；磁性活塞在U型密封管道左或右直线段的内部，将液态金属和上部真空相阻隔；磁性传动环在U型密封管道左或右直线段的外部，与压力板相连。与浮子相连的压力板带动磁性传动环垂直往复运动，通过磁力耦合作用(异性磁极相互吸引，同性磁极相互排斥)，带动磁性活塞往复直线运动，进而驱动U型密封管道中液态金属的流动，从而将外部波浪的能量转化为液态金属的动能，再通过磁流体发电机将其转换为电能。
波谷时，浮子带动磁性传动环向下运动，通过磁耦合作用驱动该侧磁流体发电通道中的液态金属向下运动，由于液态金属的不可压性，另一磁流体发电通道中的液态金属向上流动，且在U型密封管道左、右直线段形成液态金属的液位差。波峰时，浮子带动磁性传动环向上运动，在磁耦合作用下，磁性活塞也向上运动；同时在U型密封管道左、右直线段液态金属液位差的作用下，磁联活塞侧的磁流体发电通道中的液态金属向上运动，另一侧的向下运动。在磁流体发电双通道中，液态金属的流动方向相反，但与之作用的外磁场的方向相同，因而产生的感生电动势的方向相反，采用串联方式，通过电极、电缆连接负载，输出电能。
本发明除了具有中国专利1987089的高电导率液态金属发电工质、双发电通道等特征外，还采用了非接触式磁力传动的磁联活塞，将波浪能直接转化为液态金属的动能，实现了液态金属的零泄漏，减小了液态金属的流动阻力，提高了能量转换效率；同时避免了弹性波纹管的共振等问题，提高了发电系统的稳定性。
本发明的磁力传动液态金属磁流体波浪能直接发电单元装置，具有高转换效率、大功率密度、结构紧凑、成本低廉的优点，易于商业化推广。
附图说明
图1为本发明具体实施例磁力传动液态金属磁流体(LMMHD)波浪能直接发电单元装置结构示意图，其中1为压力板；2为磁联活塞；3为U型密封管道；4为液态金属；5-1为磁流体发电左通道，5-2为磁流体发电右通道；6为磁体；
图2为图1中A-A的剖面图，其中5-1为磁流体发电左通道，5-2为磁流体发电右通道；6为磁体；7-1，7-1’为5-1中的一对平板电极；7-2，7-2’为5-2中的一对平板电极；
图3为图1中磁联活塞2的结构方式，其中2-1为磁性活塞，2-2为磁性传动环，2-1和2-2之间为环形气隙；2-1-1为活塞芯体，2-1-2为永磁磁环，2-1-3为密封环；2-2-1为外支架，2-2-2为永磁磁环，2-2-3为定位环。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例进一步说明本发明。
图1为本发明具体实施例的结构示意图。如图1所示，本发明具体实施例由压力板1，磁联活塞2，装有液态金属4的U型密封管道3，磁流体发电左通道5-1，磁流体发电右通道5-2和两极磁体6组成，垂直布置在近海面的海水中。
U型密封管道3是由不导磁不导电材料制成的一密封管道空间，两端部为真空；由左、右直线段、左、右渐缩段、磁流体发电左通道5-1和右通道5-2以及环形段组成，受到外力作用的液态金属4在U型密封管道3中流动。左、右直线段相互平行，横截面为圆形，上部是真空，并通过横截面渐缩的左、右渐缩段与磁流体发电左通道5-1和右通道5-2相连，其中左直线段安装磁联活塞2；磁流体发电左通道5-1和右通道5-2的下面是环形段。
如图2所示，磁流体发电左通道5-1和右通道5-2的横截面为矩形，垂直穿过两极磁体6的磁孔；流场V的流动方向在5-1和5-2中相反，而磁场B则相同；5-1内部左右两壁面贴有一对与磁场和流动方向相垂直的平板形电极7-1’和7-1，5-2内部左右两壁面贴有一对与磁场和流动方向相垂直的平板形电极7-2’和7-2，收集MHD作用所产生的电流J1和J2。磁体6为两极磁体，可采用永磁体或其它形式，产生垂直于流动方向的磁场B。磁流体发电双通道5-1和5-2、两极磁体6和两对电极7-1’、7-1和7-2’、7-2组成磁流体发电机。
磁联活塞2为圆环形，同轴布置在U型密封管道3的左直线段。如图3所示，由同轴的磁性活塞2-1和磁性传动环2-2组成，具有轴对称性。磁性活塞2-1由活塞芯体2-1-1、5个永磁磁环2-1-2和密封环2-1-3组成；活塞芯体2-1-1不导磁、不导电；永磁磁环2-1-2的充磁方向为径向的，且N、S极相间，沿轴向均匀镶嵌在活塞芯体2-1-1的外表面。磁性传动环2-2由外支架2-2-1、5个永磁磁环2-2-2和定位环2-2-3；磁性传动环2-2的永磁磁环2-2-2与磁性活塞2-1的永磁磁环2-1-2一一对应。磁性活塞2-1在U型密封管道3左直线段的内部，将液态金属4和上部真空相阻隔；磁性传动环2-2同轴套在U型密封管道3左直线段的外部，与压力板1相连。与浮子相连的压力板1带动磁性传动环2-2垂直往复运动，通过磁力耦合作用(异性磁极相互吸引，同性磁极相互排斥)带动磁性活塞2-1往复直线运动，进而带动U型密封管道3中液态金属4的流动，从而将外部波浪的能量转化为液态金属4的动能，再通过磁流体发电机将其转换为电能。
波谷时，浮子通过压力板1带动磁性传动环2-2向下运动，通过磁耦合作用驱动磁流体发电左通道5-1中的液态金属4向下运动，由于液态金属4的不可压性，磁流体发电右通道5-2中的液态金属4向上流动；同时，U型密封管道3左直线段的液态金属液面下降，而右直线段的液面上升，在左、右直线段形成液位差。波峰时，浮子带动磁性传动环2-2向上运动，在磁耦合作用下，磁性活塞2-1也向上运动；同时在U型密封管道3的左、右直线段液态金属液位差的作用下，磁流体发电右通道5-2中的液态金属向下运动，磁流体发电左通道5-1中的向上运动。

Claims (2)

1、一种磁力传动液态金属磁流体波浪能直接发电单元装置，包括由磁流体发电双通道(5-1、5-2)、两极磁体(6)和两对平板形电极(7-1、7-1’和7-2、7-2’)组成的磁流体发电机，其特征在于该发电单元装置还包括压力板(1)，磁联活塞(2)，装有液态金属(4)的U型密封管道(3)；该发电单元装置垂直布置在近海面的海水中，波浪外力通过磁联活塞(2)的磁力耦合效应作用在液态金属(4)上，使其在U型密封管道(3)中流动，通过磁流体发电双通道(5-1、5-2)中的磁流体作用转换成电能；圆环形磁联活塞(2)同轴布置在U型密封管道(3)的左或右直线段，由同轴的磁性活塞(2-1)和磁性传动环(2-2)组成，具有轴对称性；磁性传动环(2-2)在与浮子相连的压力板(1)的带动下做垂直往复运动，磁性活塞(2-1)通过磁力耦合作用，即异性磁极相互吸引，同性磁极相互排斥，做往复直线运动，进而驱动U型密封管道(3)中液态金属(4)的流动；磁性活塞(2-1)由不导磁、不导电的活塞芯体(2-1-1)、极性相间的永磁磁环(2-1-2)和密封环(2-1-3)组成，永磁磁环(2-1-2)的充磁方向为径向的，沿轴向均匀镶嵌在活塞芯体(2-1-1)的外表面；磁性传动环(2-2)由非导磁的外支架(2-2-1)、永磁磁环(2-2-2)和非导磁的定位环(2-2-3)组成，磁性传动环(2-2)的永磁磁环(2-2-2)与磁性活塞(2-1)的永磁磁环(2-1-2)一一对应且同充磁方向；磁性活塞(2-1)在U型密封管道(3)的左或右直线段的内部，将液态金属(4)和上部真空相阻隔；磁性传动环(2-2)在U型密封管道(3)的左或右直线段的外部，与压力板(1)相连。
2、按照权利要求1所述的发电单元装置，其特征在于：U型密封管道(3)是由不导磁不导电的材料制成的一密封管道空间，两端部为真空；由左、右直线段、左、右渐缩段、磁流体发电左通道(5-1)、右通道(5-2)和环形段组成；左、右直线段相互平行，横截面为圆形，上部是真空，并通过横截面渐缩的左、右渐缩段与磁流体发电左通道(5-1)、右通道(5-2)相连，其左或右直线段上安装磁联活塞；磁流体发电左通道(5-1)和右通道(5-2)的下面是环形段。
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